武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书单相可控变流器的设计1概述 电力变流器是由一个或多个电力电子装置连同变流变压器、滤波器、主要开关及其他辅助设备组成的变流设备，它应能独立运行并完成规定功能。常见的电力变流器有：整流器，用于交流到直流的变流；逆变器，用于直流到交流的变流；交流变流器，用于交流变流；直流变流器，用于直流变流。此次课设设计的为变流器中的整流器。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。整流电路通常由触发电路、主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流电路可以从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可以分为不可控，半控，全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。2 方案的选择单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。 单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用；而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。3方案设计我的选题是单相可控变流器的设计，初始条件是单相半控桥式可控整流电路，电阻-电感性（大电感）负载，R1.5，最大电流40A。需要运用的知识点有单相桥式全控整流电路的原理及参数计算。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。图1 系统原理方框图4系统设计4.1 单相桥式全控整流电路阻感性负载4.1.1 工作原理假设电路已经工作在稳定状态：当整流电路带电感性负载时，整流工作的物理过程和电压、电流波形都与带电阻性负载时不同。因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以电路电流的变化总是滞后于电压的变化。图 2 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)输出电流；(f)晶闸管,上的电流；(g)晶闸管 ,上的电流；(h)变压器副边电流；(i)晶闸管,上的电压。工作原理：在电源电压正半周期间，、承受正向电压，若在时触发，、导通，电流经、负载、和T二次侧形成回路，但由于电感的存在,过零变负时，电感上的感应电动势使、继续导通，直到、被触发导通时，、承受反相电压而截止，输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压负半周期间，晶闸管、承受正向电压，在时触发，、导通，、受反相电压截止，负载电流从、中换流至、中；在时，电压过零，、因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期、导通时，、因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是。4.1.2整流电路参数计算1）整流输出电压的平均值可按下式计算= = =由题意可知，=1.540=60V当=0时，取得最大值60V，即= 0.9*=60V，从而得出=67V，=90o时，=0。角的移相范围为90o。2）整流输出电压的有效值为=67V 3）整流电流的平均值和有效值分别为=40A =44.7A 4)在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：= = 5)晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；和加正向电压但触发脉冲没到时，、已导通，把整个电压加到或上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于；和反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压加到或上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为,即 。 4.2变压器的设计4.2.1 变压器的概念及其工作原理变压器是一种静止电机，它可将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。从电力的生产、输送、分配到各用电户，采用着各式各样的变压器。首先，从电力系统来讲，变压器就是种主要设备。我们知道，要将大功率的电能输送到很远的地方去，采用较低电压即相应的大电流来传输是不可能的。这是由于一方面大电流将在输电线上引起大的功率损耗；另一方面大电流还将在输电线上引起大的电压降落，致使电能根本输不过去。为此，需要变压器来将发电机的端电压升高，相应电流就可减少。一般来说，当输电距离越远，输出功率越大时，要求的输出电压也越大。在电力系统中变压器的地位是非常重要的，不仅需要变压器的数量多，而且要求性能好，技术经济指标先进，还要保证运行安全可靠。一二侧电压之比近似等于其匝数比。因此在原绕组不变的情况下改变副绕组的匝数，就可以达到输出电压的目的。若将副绕组与负载相接，副边就会有电流流过，这样就把电能传输给了负载。从而实现了传输电能，改变电压的要求，就是变压器工作的基本原理。4.2.2整流变压器参数计算二次相电压:平时我们在计算是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时应按下式计算：式中 负载的额定电压； 整流元件的正向导通压降，一般取1V； 电流回路所经过的整流元件（VT及VD）的个数； A 理想情况下=0时与的比值，查表可知； 电网电压波动系数，一般取0.9； 最少移相角，在自动控制系统中总希望值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取（3035），不可逆直流调速系统取（1015）； C 线路接线方式系数，查表单相桥式C取0.5V； 变压器阻抗电压比，100KVA以下，取=0.05V， 100KVA以上，取=0.050.1V； 二次侧允许的最大电流与额定电流之比。一次与二次额定电流及容量计算：如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为： K= 式中、变压器一次和二次绕组的匝数； K变压器的匝数比。 由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。单相桥式可控整流电路计算如下： 大电感负载时变压器二次电流的有效值为 此时，为0。可以计算出，选择整流变压器的变比为：变压器二次侧容量为=67V40A=2.68KVA 4.3 晶闸管选择及参数计算分析由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。4.3.1 晶闸管的主要参数额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用晶闸管时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 额定电流 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。 :额定电流有效值，根据管子的换算出， 、三者之间的关系： 考虑到晶闸管电流的安全裕量为，流过每个晶闸管的电流有效值为，晶闸管的额定电流为 ，。波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用表示：额定状态下， 晶闸管的电流波形系数为： 晶闸管承受最大反向电压，所以晶闸管的额定电压为。4.3.2 晶闸管的选择原则一、所选晶闸管电流有效值ITn 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。二、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即0.707（1.52） 因为,则晶闸管的额定电流为=10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A。三、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。 通态平均管压降。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2V。 维持电流。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。 门极触发电流。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。 断态电压临界上升率。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。 通态电流临界上升率。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。4.4 系统功率因素的计算单相全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为： =1,3,5,因此可得基波电流有效值为： 的有效值，可得基波因数为：又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，所以